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本卷分两部分介绍了底盘的主要子系统:第壹部分介绍了从轮胎到底盘结构的主要部件,包括车轮、悬架、转向和制动系统。因为主动系统和自动系统的发展,控制系统现在变得越来越重要。第二部分是关于传动及其相关组件的。这些内容复杂,需要单独的阐述。本书适于汽车工程专业方向的师生阅读,也适合一般技术人员查阅。 1、适用范围 2、简要说明 3、横梁开发流程的介绍 4、横梁的结构设计 4.1横梁中心管的设计 4.2固定点的分布 4.3横梁两端支架的设计 4.4横梁中间支架的设计 4.5转向管柱支架的设计 4.6横梁前端支架的设计 4.7 横梁其它支架的设计 4.8横梁支架加强筋的设计 5、总成焊接变形的控制措施 6、发展趋势 适用范围 本设计指南适用于所有车的仪表板横梁的一般设计开发 简要说明 仪表板横梁安装在驾驶室的前端，主要用来固定仪表板，支撑仪表板总成的整体刚性，同时在整车正碰时对整个驾驶室起到加强作用，如图1，它的主要零部件有： 图1 1-横梁左侧端板 2-横梁右侧端板 3-横梁上端端板 4-横梁中间支架 5-转向管柱固定支架 以上就是横梁的主要的零部件，如果该车要出口欧美，则在正副驾驶侧要增加膝盖碰撞吸能支架，其它相关固定支架则根据分布在仪表板系统上的电器件及仪表板自身固定的要求而分布。横梁中间弯管的材料通常采用的都是20号钢材，各支架的材料根据支架的厚度而定，如果厚度在1.8mm以内，则选用DC01的材料，如果厚度在1.8mm以上则选用SPHC的材料；横梁支架冲压成型后通过CO2气体保护焊接成型。 横梁开发流程的介绍 横梁的结构设计 横梁的设计原侧即要满足以下几点： 满足整体刚度，在正碰时能有效的放置防火墙变形而伤害到乘客； 支持转向管柱功能，满足NVH试验； 支持电器件的固定； 支持仪表板的固定，有效的提高仪表板的强度； 支持膝盖碰撞保护，能提供一个缓冲吸能的空间； 支持PAB的固定，为PAB的顺利爆破提供支撑； 在满足强度要求、NVH试验要求的情况下最大限度的减小重量； 4.1横梁中心管的设计 在设计之初，首先要确定中心管的外径，中心管有标准中心管和非标准中心管之分，标准中心管供应商可以直接采购到，而非标准中心管需要定制，这样一来就增加了成本，而且不容易采购到，所以我们尽量选择标准的中心管；仪表板横梁通常使用的几种中心管的外径有：35mm、42mm、45mm、50mm、54mm、60mm。根据所设计的车的大小合理选择外观的外径尺寸；表一是几款车的外观外径的对比： 确定中心管的外径尺寸后，接着需要确定中心管的形状。中心管按照成型分有无缝中心管和有缝弯管中心管，有缝中心管由于公差比较大，所有一般都很少采用，现在的车型基本上都是无缝中心管。中心管按照结构分有直管和弯管，在布置的时候通常都是采用直管布置，因为直管首先公差好控制，不容易产生焊接变形，横梁总成精度高，其次直管对碰撞有利，能有效的防止正碰时前围钣金的变形；如果由于蒸发器、转向管柱的原因无法按照直管布置，那就只能按照弯管布置，弯管布置首先折弯精度不高，目前国内的横梁厂家所使用的弯管机都是台湾产的弯管机，精度很差，折弯钣金有限，容易产生废料，成本增加很多，另外弯管折弯后由于应力作用变形很大，直接导致焊接在其上的支架的精度很差，横梁总成和车身、仪表板匹配的时候产生很多配合问题，弯管强度也不好，不利于正碰。另外中心管有一根管和多根管焊接成型的,如果弯管设计成两截管的时候能有效的减少废料的产生，弯管折弯时也容易成型些，而且能局部增大布置空间，但是焊接变形量很大。表二中对目前的部分车型的中心管的结构有个对比； 1、直管的设计 首先确定管子的中心线的位置，横梁管子不能布置在PAB模块的正下方，一般来讲为10mm到45mm之间；图2是S18布置的截面图： 横梁中心线到方向盘的重心距离越小越好，最大不得超过460mm，这样能有效的减小方向盘的共振； 横梁中心线到转向管柱的安装面之间的距离推荐范围60mm到70mm； 横梁的中心线的位置还要考虑横梁两侧端板的安装，尤其是和仪表板总成一起往车上安装的时候安装空间要足够，不能被车身侧围给挡住； 横梁中心管与HVAC之间的距离要求在15mm以上，满足制造公差和安装公差的要求； 横梁中心管与风管之间的距离要求在5mm以上，满足制造公差和安装公差的要求； 横梁中心管的上表面要求比HVAC出风口表面要低，满足仪表板安装的方便性，见下图3； 横梁中心点的坐标要求X和Z都为整数，降低累计公差； 确定中心线的位置后，根据驾驶侧的宽度及仪表板的安装位置拉伸直管，直管厚度一般为1.5~2.5mm； 2、弯管的设计 如果因为HVAC等的原因无法布置直管，则只能布置弯管，弯管的中心线的确定和直管的中心线的确定方法一样，弯管另外还要满足折弯半径的要求，要求折弯半径最小为管径的1.5倍，中心线的台阶范围最小可以做到40mm，见图4； 4.2固定点的分布 在驾驶侧和乘员侧都要有固定点固定到车身上，横梁两侧端板的固定点至少要有３个，两个X方向的固定点， 一个Y方向的固定点；或者两个X方向的固定点，一个定位点；固定螺栓推荐采用M8螺栓，至少也要采用M6螺栓，侧固定点是横梁最主要的安装点； 中间支架与车身的连接底板之间通过两个M6螺栓连接； 如果横梁要前端固定支架，该支架通过１个M6螺栓和车身前围连接。 表3是部分车的横梁的固定点的一个对比表：
4.3横梁两端支架的设计 横梁两端支架的料厚应等于或略小于骨架的料厚，一般结构较简单的侧安装支架可以采用 2-2.5mm的板材，如果整车对于碰撞等级要求较高，侧安装支架可以采用2－3层钢板焊接的结构，这种结构应该选用料厚1.2左右的板材。横梁侧安装支架上通常还焊接一个仪表板骨架的侧安装支架，一般料厚为1.2mm，表4是部分车的两侧支架的料厚和固定情况的一个对比。正常情况下，横梁两端支架的固定点都是上下各通过螺栓固定在车身上，中间一个定位销定位在车身上；其中定位销主要限制横梁总成在整车Y方向上的偏差；考虑钣金的焊接公差，横梁上下两个固定点一般都是腰型孔，这样安装的时候有个合理的调整尺寸，图5是S18和车身上的固定端板和横梁上的两侧支架； 表4
图5 见图6，两侧固定螺栓采用M8螺栓固定，其中横梁支架的开10×12mm的腰型孔，钣金支架上开直径Φ9mm的圆孔，固定点的X、Y、Z坐标都是整数，如果实在无法避免，小数点后只能取一位整数，而且要求为5；防止因为小数产生累计误差。
图6 见图7，横梁两侧支架上点焊一个定位销，定位销直径为Φ10mm，长度要求在满足空间的前提下尽量布置长一些，以减少横梁安装时候旋转自由度，横梁支架上开孔Φ11mm，车身上固定端板开孔Φ12mm。同样，固定点的X、Y、Z坐标都是整数，如果实在无法避免，小数点后只能取一位整数，而且要求为5；防止因为小数产生累计误差。
图7 4.4横梁中间支架的设计在中间区域，靠近驾驶侧一定要有一个支架连接到地板上，因为要支持转向管柱的固定及满足NVH试验，副驾驶侧一般也有一个支架，但是如果因为NVH、碰撞或者其它成本方面等的原因，该支架允许取消；目前奇瑞的仪表板横梁都是两个支架。中间支架的主要作用一是连接横梁骨架和底板，二是固定仪表板系统的中控部分，包括仪表板本体以及DVD等电器件。中间支架对于仪表板横梁并不起主要固定作用，所以料厚一般选择1.0-1.2mm，由于中间支架的基本形状是长条板状，在设计时，要避免支架的折弯过多及不平缓，这样既有利于中间支架上的小支架的焊接，又能减小中间支架焊接后的变形。由于中间支架上焊接的支架数量较多，在设计时应尽量将几个比较小的支架做成一体。为防止左右中间支架在焊接到横梁骨架上以后产生翘曲变形，在中间支架之间至少应该有两条支架将左右中间支架连接起来，一般可以把用于固定同一个件的分别焊接在左右中间支架上的两个支架连接起来，既可以起到连接左右支架的目的，又可以减少安装件的安装误差。 由于底板上的固定点距离横梁中心线很远，由于支架与横梁焊接时存在一定的焊接误差，而且焊接完成后，在自然应力的作用下，焊接变形很严重（如果横梁中心管为弯管，则该情况尤其严重），这样，可能在横梁中心线这里的变形只有一点点，但是由于支架很长，那么反应到中间支架上的固定点上就可能很大，所以很多车都存在中间支架与底板安装困难；所以在设计的时候我们要考虑把这个支架一分为二，图8是S18横梁的中间支架，上下支架之间通过两个斜向的M6螺栓连接，能有效的防止中间支架的变形而导致难安装的问题；其中在下支架上开两个Φ7mm的圆孔，上支架上开两个8×12mm的腰型孔，同样的道理，同样，固定点的X、Y、Z坐标都是整数，如果实在无法避免，小数点后只能取一位整数，而且要求为5；防止因为小数产生累计误差。
图8 4.5转向管柱支架的设计转向管柱是整车中重要的安全件，在汽车行驶过程中，会承受到来来自各个方向的外力冲击，这就要求，转向管柱安装支架不但要固定可靠，在结构上还要考虑到转向管柱的NVH特性，要求转向管柱的振动频率在40-60Hz左右为佳。转向管柱一般采用2-2.5mm的板材，通过M8的螺栓于转向管柱连接，一般采用“盒式”结构，即支架分上下两部分，包住横梁骨架，三者焊接在一起，表5是目前的部分车型的对比。 表5
4.6横梁前端支架的设计 为降低转向管柱出现共振的风险，一般都在横梁前端增加一个固定支架与车身连接，支架厚度 1.0～1.2mm左右，见图9，
图9 其中固定螺栓为M8螺栓，车身钣金上开孔为Φ9mm，横梁上的支架开孔为Φ12mm，该处的误差较大，预留的安装公差也比较大。 如果仪表板横梁和仪表板是分装好后整体往车上安装的，则前固定支架的安装空间很难保证，这个时候又要考虑转向管柱的共振问题，通常都采取加强弯管的方案，如图10，在中间和左侧都有焊接有加强管；
图10 4.7 横梁其它支架的设计如果固定在仪表板的零部件的重量超过1.5Kg（如音像、手套箱、安全气囊等），则必须在固定在横梁支架上，支架厚度1～1.2mm，或者直接固定在车身钣金上，也可以在仪表板的背面增加金属支架加固； PAB模块固定时，必须在其重心部位均匀分布两到三个M6螺栓固定，这样能确保满足NVH试验要求，有效的降低出现噪声的风险。 以图11为例，详细的说明支架的设计参数及焊接螺母所要求的尺寸，如果焊接螺母为M6，则支架开孔L1要求为Φ7mm；L2为焊接螺母所要求的焊接空间，其中M6螺母，要求L2至少要有16mm，M8的螺母要求L2至少要有20mm,当然具体情况具体分析，如果支架的翻边高度及H1比螺母的高低要低，则L2的影响不是很大，如果没有翻边就不用考虑L2的值；正常情况下翻边尺寸H1≥3mm；圆角半径R1一般为0.5mm以上；L3的最小距离为10mm，便于冲孔时夹具的布置空间。
如果所设计的车要求出口欧美，则在正副驾驶侧都要布置KNEE BOLSTER吸能支架，如图12，支架厚度1.2mm，要求支架固定牢靠，碰撞时能提供一个变形缓冲的空间。
4.8横梁支架加强筋的设计 由于横梁支架都是给相关零部件提供一个固定的载体，因此就要求支架具有一定的强度，以满足碰撞要求和NVH的试验要求，通过我们设计的时候就要主要给支架的加强；给支架加强除了增加料厚外，还有增加翻边、增加折弯次数，增加加强筋等方法。图13就是一个支架多次折弯的结构，但是这种结构引起模具成本增加，而且尺寸进度不容易保证；图14是在中间拐弯处设计的一个加强筋的结构，一般比较小的支架我们都是直接在拐弯处设计加强筋，正常情况下布置两端，就像图15显示那样；如果比较长、比较宽的支架通常都是在支架的中间设计长的加强筋，加强筋的形状根据支架的宽度而定，如果支架很宽，则加强筋可以设计成长方形的，如果支架较窄，则设计两根长的圆柱体就可以了，如图15。
总成焊接变形的控制措施 仪表板横梁总成多数采用复杂的管、板式焊接结构，焊接后往往会出现变形，不但直接影响整车装配及整车性能，还可能降低仪表板横梁总成结构的承载能力而引发事故，因此制造中限制和消除焊接变形非常重要。控制汽车仪表板横梁总成的焊接变形主要从设计和工艺2个方面解决。 1）影响仪表板横梁总成变形的因素和焊接变形的种类 影响仪表板横梁总成焊接变形的因素有很多，主要有以下几点 1、焊接工艺方法：不同的焊接方法将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说自动焊比手工焊加热集中，受势区窄，变形较小；CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小，比手工焊更适合于仪表板横梁总成焊接。气保焊不但可用于低合金高强钢的焊接，而且可以说是焊接的首选方法。这不仅因为它比手工焊的效率最少高一倍以上，而且它最易保证高强钢的焊接质量。 ①焊接参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度）：焊接变形随焊接电流和电弧电压增大而增大，随焊接速度增快而减小，其中电弧&电压的作用明显。因此低电压、高速大电流密度的自动焊变形较小。 ②焊缝数量和断面大小：焊缝数量愈多，断面尺寸愈大，焊接变形愈大。 ③施焊方法：连续焊、断续焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大，断续焊变形较小。 a）材料的热物理性能：不同材料的导热系数、比热和膨胀系数等均不同，产生的热变形不同，焊接变形也不同。 b）焊接夹具的设计合理性：采用焊接夹具，增加了构件的刚性，从而影响到焊接变形 c）构件焊接程序：焊接程序能引起构件在不同组合阶段刚性变化和质心位置改变，对控制构件焊接变形有很大影响。 仪表板横梁总成结构的焊接变形分为整体变形和局部变形，整体变形是焊接以后，整个构件的尺寸或形状发生变化，包括纵向和横向收缩，弯曲变形和扭曲变形等；局部变形是指焊接后构件的局部区域出现变形，包括角变形和波浪变形等。 2、减小焊接变形的设计措施 1）合理的焊缝尺寸和形式 焊缝尺寸直接关系到仪表板横梁总成的焊接工作量和焊接变形大小，焊缝尺寸大，焊接工作量大，焊接变形也大。因此，在保证仪表板承载能力的情况下，应尽量减小焊缝尺寸，但并不是说焊缝尺寸越小越好，焊缝尺寸太小，冷却速度快，容易产生裂纹、热影响区硬度过高等焊接缺陷；应在保证焊接质量的前提下，按板厚（管壁厚）来选取工艺上允许的最小焊缝尺寸。 2）合理的焊缝数目 在仪表板横梁总成结构中力求焊缝数量合理，焊缝不宜过分集中，尽量避免2条或3条焊缝垂直交叉。有时为了减小仪表板质量，采用壁厚较薄的钢管加筋板来焊接仪表板横梁，以提高仪表板横梁总成的稳定性和刚性，其实这样既增加了构件和焊接的工作量，还因焊接变形大增加校正工时。因此，适当增加管壁厚或管径，减少筋板，仪表板横梁总成质量稍大一些也是比较经济的。另外，合理选择筋板形状，适当安排筋板位置，也可以减少焊缝达到提高筋板加固的效果。 3）合理的焊缝位置 设计仪表板横梁总成时，尽可能将焊缝对称于截面中性轴，这样能使焊缝引起的挠曲变形互相抵消；或者使焊缝接近断面中性轴，以减少焊缝引起的挠曲。 1、减小焊接变形的工艺措施 ①.变形法 反变形法是事先估计好焊接结构变形的大小和方向，然后在组合（点固焊）时给予一个相反方向的变形来抵消焊接变形，这是使焊后构件保持设计要求的一种工艺方法，也是仪表板横梁总成生产中较常用的一种控制变形方法。 因焊接变形影响因素很多，包括焊接顺序、拘束度、焊接条件和接头特征等，焊接手册中的变形估算公式及有关图表只能提供一个大致数值，有关变形量的确定可以参考文献。在实际生产的工艺规范和相同条件下通过试验来实测确定，再根据所得数据确定反变形量，并在焊胎制造中应用，可获得比较好的效果。 ②．刚性固定法 当不便采用反变形时，将零部件加以固定来限制焊接变形。仪表板横梁总成生产中普遍采用焊接夹具定位和紧固，装夹的刚度越大，变形越小。 ③．合理施焊 CO2气体保护焊与其它电弧焊相比，具有生产率高、焊接成本低、能耗低、适用范围广、抗锈能力强、焊后无须清渣等优点，所以仪表板采用CO2气体保护自动（半自动）焊接。同时由于CO2气体保护焊电弧热量集中，加热面积小，以及CO2气流的冷却作用，所以，工件的焊接变形也较小。此外，在焊接时适当降低规范，选用较低的线能量，可以有效地防止焊接变形，但线能量不能过低，否则影响焊接质量。 ④．合理的焊接顺序 焊接顺序对焊接结构的变形有很大影响。焊接顺序合理，焊接变形可以通过自由收缩，互相抵消；焊接顺序不合理，焊接变形将互相叠加。为便于控制焊接变形，尽量采用对称焊接，以使焊缝引起的变形相互抵消。焊缝不对称的，先焊焊缝少的一侧，因为焊缝越长，变形越大，先焊焊缝少的一侧，可以增大焊缝多的一侧施焊时焊件的结构刚度和反变形能力。 2、焊接变形的矫正 仪表板横梁总成焊接过程中，虽然在仪表板横梁总成结构设计和工艺上采取多种措施来控制施焊过程中所产生的焊接变形，但由于焊接过程的特点和仪表板焊接工艺的复杂性，还或多或少产生焊接变形，为此必须矫正超过设计要求的焊接变形。 矫正工艺只限于矫正焊接构件的局部变形，如角变形、弯曲变形和波浪变形等，对于仪表板横梁总成结构的整体变形如纵向和横向收缩（总尺寸缩短），只能通过下料或装配时预放余量来补偿。机械矫正法是在室温条件下，对焊接施加外力，使构件压缩塑性变形区的金属伸展减少或消除焊缝区的塑性变形，达到矫正变形的目的；如仪表板横梁总成焊完后可以在矫正整形胎上矫正整形，以保证车头管中心线与仪表板中心平面的垂直度。此外各部件焊完后也整形，以避免产生综合效应。实际操作中还应注意自然时效的作用，必须通过经验积累和严格检验手段保证矫正的精度。 结论综上所述，仪表板横梁总成在制造过程中，焊接变形是不可避免的，只能采取有效的设计和工艺措施控制焊接变形，并对超出公差要求的焊接变形进行矫正，才能达到仪表板横梁总成强度、使用性能及经济性能的要求。实际生产中，只有对焊接进行全过程控制，才能更有效控制仪表板横梁总成的焊接变形，达到保证仪表板横梁总成尺寸精度和装配要求的目的。 发展趋势 现在的仪表板横梁基本上都是弯管＋铁支架的结构，这种结构比较笨重，在轿车越来越追求轻 量化的今天，一些新的工艺、新的材料逐渐的应用在横梁上； 这两年来一种新兴的材料GMT材料在横梁上得到了一些应用，GMT是一种高分子玻纤材料，这种材料强度同样也很高，但是重量很轻，主要成型工艺是把横梁中心管放在模具中，所有的支架直接和中心管一体模压成型，这种结构在欧洲已经有部分车使用，今年佛吉亚在报告厅做产品展示的时候就展出过这种材料所成型的横梁，这种材料能有效的降低整车重量，但是成本相对也比较高。 另外一种材料就是镁铝合金的应用，镁合金作为最轻的工程材料，其密度为1.74g/cm3，是钢的1/4，铝的2/3；具有高的比强度和比刚度，好的消震性，易于回收。这些优点正好符合现代社会对汽车工业的要求：重量轻，油耗和排放低，合乎环保。另外，镁合金件的应用可以改善汽车的性能。所以，各大汽车厂家纷纷采用镁合金压铸汽车零部件，如汽车仪表板骨架或仪表板横梁、座椅骨架、方向盘骨架、操纵系统部件、引擎盖、变速箱壳体、进气歧管和轮毂，等等。 仪表板骨架采用一片式压铸件来代替组装件，具有以下优点： 1、重量轻, 采用镁合金材料后，产品重量将为原有钢质材料的三分之一； 2、产品集成化，可将原设计中多个零件集成为一片式压铸件（减少多个零件的模具和焊接夹具等）； 3、由于AM系列镁合金伸长率高，可增加部件的抗冲击能力以及防撞气袋的储藏能量； 4、降低加工费用以及部件组装费用（减少焊接费用和组装费用）； 5、减少震动与噪音； 6、减少部件的库存量； 7、提高仪表板的刚度； 8、提高产品回收率； 9、增加产品设计中的灵活性。 镁合金的仪表板骨架虽然有以上优点，但是价格较贵，基本上是钢骨架仪表板横梁的10倍左右。 |
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